磁阻效应传感器

磁阻效应传感器磁阻效应传感器是基于磁性材料的磁阻效应制作的。 坡莫合金等磁性材料具有各向异性，磁化时，其磁化方向取决于材料的易磁化轴、材料的形状、磁化磁场的方向。 如下面的图2-1所示，当在条形坡莫合金材料中流过电流I时，材料的电阻取决于电流方向和磁化方向的角度。 如果对材料施加磁场b (被检磁场)，则原来的磁化方向旋转。 如果磁化方向朝向与电流垂直的方向，则材料的电阻减少，如果磁化方向朝向与电流平行的方向，则材料的电阻变大。 磁阻效应传感器通常由四个这种电阻组成，并与桥连接。 通过被检磁场b，桥中处于相对位置的两个电阻的电阻值增大，另两个电阻的电阻值减少。 在其线性范围内，桥的输出电压与被检磁场成比例。图2-1磁阻效应磁阻传感器已经在硅片上制作和产品化。 其灵敏度和线性能满足磁罗盘的要求，各方面性能明显取决于霍尔元件。 滞后误差和零点温度漂移也可以通过交替地对传感器进行正向磁化和反向磁化的方法来消除。 磁阻传感器的这些优秀性能使我们可以在某些应用场合与磁门竞争。FNN-3300是一种磁阻传感器，在市场上占有重要地位，因此，电子罗盘上证明磁阻式优于霍尔效应和磁通门。汽车应用中的磁阻传感器。磁阻传感器系统的建模与仿真。magnetoresistivesensorsinautomobilesmodelingandsimulatemagnetoresistivesensorsystems作者：Marcus Prochaska、Boris Klabunde、Stefan Butzmann恩智浦半导体德国汉堡汽车电子创新中心(Automotive Innovation Center )时间：2008-02-05来源：电子产品世界磁阻效应支持了汽车内许多传感器的应用。 磁阻传感器主要用于测量机械系统的速度和角度。 这样，磁阻传感器就成为了由电子元件、磁元件、机械元件组成的复杂系统的一部分。 因为所有的组件都影响系统的反应，所以在计划系统及其操作时，必须非常重视系统整体的模拟。 让我们把焦点放在这种系统的建模和仿真上。电子技术的应用日益广泛，对汽车的发展有决定性的促进作用。 未来的进一步发展，也将被创新的电子部件大大推进。 传感器技术能够检测车辆及其周围的环境条件，具有特殊意义。 针对此目的，可使用各种传感器系统，例如加速度传感器、温度传感器或扭矩传感器。 磁场测量传感器在汽车内尤为常见，主要用于机械变量的非接触式检测。 通常，这种传感器是由霍尔元件或各向异性磁阻(AMR )效应实现的。 与利用霍尔效应的解决方案相比，AMR传感器具有抖动少、灵敏度高等多种优点。 但是，在提高正确性和降低整体系统成本方面，两者并不相称。 在电子罗盘上除了利用磁阻传感器来测量地球磁场外，特别是在利用磁场指示机械系统的运动和位置时，还可以利用磁阻传感器来确定角度和速度。 此数据是防滑系统、引擎和传输控制所必需的。 产生磁场的永久磁铁的机械设计和选择对测量数据的获取有很大影响。 因此，在引进整个系统之前，使用模拟技术进行详细分析很重要，可以确保达到目标功能，降低成本。 因此，在前期的开发过程中建立系统模型，支持此后的产品开发，对解决设计过程中发生的这种问题也起到了重要的作用。 下面讨论新型速度传感器的整体系统建模与仿真。图1 AMR传感器系统由两个封装组成图2各向异性磁阻效应信号检测现代传感器系统由基本传感器和信号处理专用集成电路(ASIC )两个要素构成(图1 )。 目前，后来Lord Klevin在1857年发现的各向异性磁阻效应被证明特别适合检测磁场。 首先，通常考虑具有多个磁区结构的强磁性材料。 这些是被称为wise磁区的结构，内部磁化的方向互不相同。 在薄层上排列这种材料时，磁化向量在材料层的平面方向上。 另外，如果只存在1个域，则可以更正确地进行假定。 当这种元件暴露在外部磁场中时，后者改变内部磁化矢量的方向。 如果电流同时流过该元件，则根据电流和磁化的角度产生电阻(图2 )。 当电流和磁化方向相互成直角时，电阻最小，两者平行时，电阻最大。 电阻变化的大小取决于材料。 强磁性材料的性质也决定了温度依赖性。 电阻的最大变化为2.2%，对温度变化反应良好的最佳合金是由81%镍和19%铁构成的合金。 恩智浦所有传感器系统的基本传感器都采用了这样的强磁铁镍合金。 在惠斯顿大桥电路上单独配置几个AMR电阻，增强输出信号，改善温度响应特性。 这个电路也可以在制造过程中进行微调。 图3显示了如何在裸芯片上放置AMR组件。确定速度的设备通常由两个组件构成：编码器轮和传感器系统。 编码器轮可以是主动的也可以是被动的。 因为驱动轮被磁化，所以MR传感器能检测出北极和南极的变化。 如果是被动轮，则有齿状结构代替磁化。 如图1所示，传感头也需要用于产生磁场的永久磁铁。 其次，只考虑因公差极小而为人所知的无源编码器轮。 如果传感器对称地面对一个齿或被动轮两个齿之间的间隙，则没有AMR元件的磁化向量偏移。 若忽略外部噪声场，并考虑桥接电路，则输出信号获得零值。 然而，如果传感头位于齿的边缘前面，则磁输入信号会达到极值。 齿/间隙/间隙/切齿类型的函数结果非常接近磁输入信号的正弦曲线的最小值或最大值。信号处理为了决定速度，将磁输入信号编码为电脉冲序列，并通常以7/14 mA协议进行传输。 在最简单的情况下，比较器可以用于生成脉冲序列。 通常在比较器电路中增加滞后，去除低噪声的影响。 但是，该施密特触发在噪声水平高的条件下不能确保功能性。 例如，如果传感头和编码器轮之间的间隙存在显着的变动，则磁输入信号的振幅会变动。 如果振幅变小，不超过或低于滞后阈值，则与编码器轮的位置无关，输出信号保持有效动作时的最后状态。 如果检测到ABS系统的转速，传感器和编码器轮之间的距离可能会发生变化。 负载发生变化(急转弯等)时，在横向作用于车轮的离心力的作用下，车轮轴会产生弯曲力矩。 这会改变安装在轴上的编码器轮的位置，该轴与连接到车轮悬架上的传感器相关。磁位移也影响系统的正常运转。 例如，噪声场增强或减弱实际的测量信号，过高或过低地评估施密特触发的阈值。 但是，位移不仅仅是外部场。 被动轮的极高速度使轮产生旋涡，它还产生磁噪声场。 结果的位移影响操作的可靠性。为了消除该噪声对输出信号的影响，在另一封装中组装有信号处理专用集成电路(ASIC )。 后者还包括用于信号处理和为高电压接口提供电源电压的线路驱动器(图1 )。 图4表示信号处理架构。 用于故障排除的中心元件包括调节放大器、偏移消除电路和智能比较器。 根据传感器和编码器轮之间的距离，可变放大器可以匹配信号电平。 偏移消除电路中有在保持系统频率为0的同时消除偏移的控制系统(与高通滤波器不同)吗？ 赫兹。 不然的话，就无法检测不停止的编码器轮。 智能比较器的阈值是可变的，滞后可以设定在信号振幅的20%和45%之间。 这样可以充分抑制噪音，保证振幅达到50%也不会影响系统的正常工作。 模拟前端的单独组件控制是通过数字接口实现的. 该系统是利用仿真技术开发和验证的。 以下是系统开发的概要，并说明如何使用模型来改进设计。图3裸芯片上的AMR元件配置图4现代速度传感器的信号处理原理图5网格-磁场有限元模拟的起点系统仿真要开发传感器系统，首先要综合理解预期的磁输入信号. 首先，了解编码器轮和传感头上的永久磁铁的标准规格、预计的尺寸和公差。 可以通过ANSYS法的FEM模拟来确定磁场。 这里，存在对编码器轮、传感器元件、磁铁进行建模的问题(图5 ) . 然后，根据传感器元件与编码器轮之间的距离，可以决定与其具有函数关系的磁场强度。 图6是与传感器桥上的磁输入信号具有距离函数关系的三维图； 输入信号呈正弦曲线，信号振幅随着距离增加而显着减少。 不仅是距离，位置偏移的话振幅也会减少。 例如，当传感头不在编码器轮的前面的中心位置时，信号幅度也减小。 根据FEM模拟方法，由此也可以将机械规格转换为预期的磁变量。 与气隙的变化不同，倾斜会偏离，这也会影响系统的正常运行。 FEM模拟也可以估计影响(图7 )，结果可以直接转换为允许位置公差。在确定磁场后是传感器系统的模拟。 AMR元件的电阻变化是各向异性磁阻效应的直接结果。 这样，磁场模拟的结果，在代表信号处理中输入信号的电阻发生变化。 要对模拟的前端进行建模，请使用Simulink。 该行为模式是概念设计的产物，标志着产品开发的起点。 各Simulink块对应于放大器或滤波器等模拟信号处理组件。 然而，没有考虑模拟组件的控制部分，这是由数字系统来实现的。 HDL设计模拟以数字方式实现的功能，产品开发完成后最终成形。 因此，整体的系统模拟是基于Simulink的模拟组件的行为模型和基于ModelSim的HDL设计的共同模拟(图8 )。 模拟可以从概念阶段顺利地转移到HDL设计和下一阶段。 在联合仿真中，可以通过使用ModelSim中引入的Verilog代码代替Simulink参考模型来单独验证HDL设计。 此过程在Verilog中实现了整个数字部件，模拟系统部件可以继续保持Simulink模型。 证明了该工具的组合也有助于IC评价。 从头到尾使用该工具，便于理解IC的行为，并可以创建一个框架来分析和说明错误。 这些工具的主要优点是能够快速、更准确地回答客户的询问，更好地理解与环境条件相关的传感器功能。图6是磁头与编码器轮之间的距离处于函数关系的磁输入信号的模拟图7用于确定可接受位置公差的磁场计算图8模拟前端和数字块的通用模拟。结论该建模允许分析与输入信号成函数关系的系统行为。 图9中的第一个图表示改变传感器和编码器轮之间的距离产生的磁输入信号。 该信号是有限元模拟的结果，AMR效应可以将该信号转换成传感器桥的电输出信号。 中间的曲线图是模拟信号处理的结果。 以下图表显示输出信号。 此设备使用A 7/14/28 mA协议。 这种协议可以用于发射附加信息，例如，检测旋转或气隙的长度。 除了这些结果之外，还可以检查数字控制的行为。 图10示出ModelSim中的信号图像的例子。在MATLAB中进行模拟控制，并与其他模拟器组合，会产生更多的选择。 首先，例如，可以使仿真自动化。 可以随后使用许多算法在MATLAB上完成信号模拟。 例如，对必要的系统和信号参数进行蒙特卡罗模拟，然后进行自动分析。 使用FEM仿真器(例如NASYS )可以扩展模拟系统组件，并且可以将系统视图扩展到传感器周围的直接关联区域，包括MR传感头和相关编码器。 图11显示了为此目的的整个工具链。图9的模拟结果：电输出信号与磁输入信号进行比较图10数字系统元件的模拟图11的完整模拟链总结。很多汽车应用采用了基于AMR效果的现代智能传感器。 对传感器系统的要求根据应用的不同当然不同。 如果在引进整个系统前进行系统模拟，可以保证各